Finite element analysis on the influence of neural arch fractures on the kinematics of the L4-S1 lumbar spine

The spondylolysis is usually associated with the fracture occurring in the pars interarticularis of the neural arch of the vertebra. It is considered to be caused by hyperextension or excessive rotation movements due to sports injuries and it is suspected to cause back pain to 50% of young athletes. If not treated, the fracture could worsen and develop into spondylolisthesis in 51-80% of all cases. When non-surgical conservative treatments are not successful, clinical intervention may be the solution. Our work aims to understand the effect of spondylolysis on the kinematics of the lumbar spine focusing on the L4-S1 levels. The thesis work follows the preliminary concepts, the anatomy of the spine, the pars fracture diagnosis, and treatments in the first chapter. This is followed by the validation of the range of motion (ROM) of a finite element L4-S1 model in chapter 2. This is done by calibrating the material properties of each component of the L4-L5 level through a process of backward stepwise reduction first. The calibration process is performed comparing our ROM results to the experimental ROM results extracted from the literature. Hence, the material properties are assigned to the respective components of the level below, L5-S1, obtaining the full L4-S1 spine. Another comparative analysis has been performed to validate the L5-S1 ROM. Finally, the third chapter discusses the effects, in terms of ROM variation, of the spondylotic spine compared to the intact spine. The fourth and final chapter presents the conclusions of our work with a brief discussion about the results.

La spondilolisi rappresenta la frattura della pars interarticulars dell’arco neurale di una vertebra. Si ritiene che sia causata dai movimenti di eccessiva iperestensione o rotazione che avvengono durante gli infortuni sportivi. Si sospetta inoltre che essa sia la causa di dolore alla schiena nel 50% della popolazione di giovani atleti. Laddove non venga curata, la frattura può peggiorare ed evolvere in spondilolistesi nel 51%-80% dei casi. Nel caso in cui i trattamenti tradizionali non siano efficaci, si prevede un intervento chirurgico con fissaggio della frattura attraverso dispositivi di osteointegrazione. Il nostro lavoro di tesi cerca di comprendere gli effetti della spondilolisi sulla cinematica della colonna vertebrale, in particolare sui livelli L4-S1. L’introduzione si focalizza sull’anatomia della colona vertebrale e dei suoi principali componenti, sulla diagnosi della frattura e i possibili trattamenti. Il capitolo successivo si focalizza sulla validazione del range of motion (ROM) del modello a elementi finiti che interessa i livelli L4-S1 della colonna vertebrale. Questa operazione è eseguita inizialmente per il livello L4-L5 calibrando le singole proprietà dei componenti della colonna tramite un processo di backward stepwise reduction. La calibrazione è basata sulla comparazione tra il ROM ottenuto da simulazioni e il ROM sperimentale da letteratura. Successivamente, le proprietà dei materiali vengono estese alle rispettivi componenti del livello sottostante, L5-S1, ottenendo la colonna L4-S1 completa. Un’ulteriore analisi di letteratura è usata per validare il ROM a livello L5-S1. Il terzo capitolo discute gli effetti della presenza della spondilolisi, in termini di variazione del ROM, rispetto al modello intatto. Il quarto capitolo presenta le conclusioni del lavoro con una breve discussione dei risultati.